Najpodrobnejši posnetki naših možganov

Kockica možganskega tkiva, velika kubični milimeter, vsebuje 57.000 celic, 23 centimetrov žil in 150 milijonov sinaps, kar v prevodu v računalniški jezik znese 1,4 milijona gigabajtov podatkov. Strokovnjaki s Harvarda in Googla so to malo kocko človeških možganov preslikali in ustvarili posnetke brez primere ter tako razkrili nove podrobnosti najbolj izpopolnjenega »računalnika« v znanem vesolju.

Ekscitatorni nevroni, katerih jedro je široko od 15 do 30 mikrometrov. FOTO: Google Research & Lichtman Lab/Univerza Harvard  

Manj kot riževo zrno velik vzorec možganov je pripadal 45-letni bolnici s hudo epilepsijo. Šlo je za standardni postopek odstranjevanja majhnega dela možganov, s katerim so zaustavili napade, »vendar o bolnici nisem vedel skoraj ničesar, razen njene starosti in spola,« je za CNN dejal Jeff Lichtman, profesor molekularne in celične biologije na harvardski univerzi. Združil je moči s strokovnjaki za strojno učenje pri tehnološkem velikanu. »Glavni cilj je bil dobiti visokoločljivostni pogled v ta najbolj skrivnostni del našega telesa. Razlog, da tega še nismo naredili, je, da je to zelo zahtevno,« je pojasnil ­Lichtman.

Aksonske vijuge so vidne v modri barvi in tvorijo nenavadne zanke. FOTO: Google Research & Lichtman Lab/Univerza Harvard

Vzorček so namreč raziskovalci razrezali na tanke rezine, jih vdelali v smolo in nato vnovič razrezali na še tanjše rezine, debeline približno 30 nanometrov (za primerjavo: las je debel od 80.000 do 100.000 nanometrov). Nato so 5300 rezin še obarvali s težkimi kovinami, da so jih lahko fotografirali. Strojno učeni algoritem je na vsaki rezini razbral celice in sinapse, sčasoma pa so iz vzorca pridobili 1400 terabajtov podatkov (za primerjavo: toliko podatkov bi zavzelo 14.000 filmov v resoluciji 4K), ki so jih po desetletju sodelovanja preoblikovali v najbolj podroben zemljevid izjemno majhnega koščka možganov.

V človeških možganih je približno 86 milijard nevronov. FOTO: Google Research & Lichtman Lab/Univerza Harvard  

Brezplačni zemljevidi

»V podatkih smo našli veliko stvari, ki jih ni v učbenikih in jih niti ne razumemo,« je komentiral Lichtman. Med drugim so slike razkrile tesne vijuge nevritov (ali aksonov), ki prenašajo signale med celicami, te pa so bile videti, kot da so se zataknile v krožišču in iščejo pravi izvoz za nadaljevanje poti, so zapisali na Harvardu. Ker je šlo za vzorec bolnice z epilepsijo, ni jasno, ali gre za redko značilnost možganov ali za kaj bolezenskega. Razkrile so se tudi močne povezave med nevroni. V tkivu je denimo 96 odstotkov nevritov vzpostavilo eno povezavo s ciljno celico, trije odstotki dve povezavi, peščica celic pa je bila povezana z več, v enem primeru tudi 50 nevriti. Po Lichtmanovem mnenju bi te povezave lahko razložile, kako naši možgani ustvarjajo avtomatizirano naučeno vedenje, ko brez razmišljanja denimo pred rdečo lučjo umaknemo nogo s pedala za plin in ­zaviramo.

Ekipa zemljevide, ki so jih predstavili v reviji Science, drugim raziskovalcem daje na voljo brezplačno. »Zaradi ogromne naložbe v ta projekt je bilo treba rezultate predstaviti tako, da jih lahko zdaj uporabijo tudi drugi,« je povedal Viren Jain iz Googlove ekipe.

Po mnenju raziskovalcev močne povezave vodijo v najbolj naučeno vedenje. FOTO: Google Research & Lichtman Lab/Univerza Harvard

Za zdaj raziskovalci ne razmišljajo, da bi na podoben način izrisali celotne možgane. V človeških možganih je namreč približno 86 milijard nevronov, ki med seboj tvorijo 100 milijonov povezav. Možgani so tako kompleksni, da njihovega delovanja še zdaleč ne razumemo. Naloga bi bila tehnološko preveč zahtevna, se bodo pa raziskovalci lotili mišjih možganov. Kot predvidevajo, bodo iz analize pridobili tisočkrat več podatkov, kot so jih iz kubičnega milimetra človeških ­možganov.